DE1646818B1 - Piezoelectric ceramic material - Google Patents

Piezoelectric ceramic material

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DE1646818B1
DE1646818B1 DE1967N0031672 DEN0031672A DE1646818B1 DE 1646818 B1 DE1646818 B1 DE 1646818B1 DE 1967N0031672 DE1967N0031672 DE 1967N0031672 DE N0031672 A DEN0031672 A DE N0031672A DE 1646818 B1 DE1646818 B1 DE 1646818B1
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pbtio
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Tsuneo Akashi
Tomeji Ohno
Masao Takahashi
Norio Tsubouchi
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Description

t 646 818t 646 818

1 : 21 : 2

Die Erfindung betrifft piezoelektrisches keramisches nischen Fortschritt. In der Praxis sind aber für die Material, das Bleititanat (PbTiO3) und/oder Bleizir- Qualität und Einsatzfähigkeit eines Keramikstoffes je konat (PbZrO3) enthält. Insbesondere betrifft die Er- nach Anwendungsfall noch andere Größen mitbestimfindung neue piezoelektrische Keramiken, die ausge- mend, so vor allem die Dielektrizitätskonstante,
zeichnete Eigenschaften aufweisen und zur Verwendung 5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue
The invention relates to piezoelectric ceramic niche advancement. In practice, however, the material that contains lead titanate (PbTiO 3 ) and / or lead-zir quality and usability of a ceramic material is conat (PbZrO 3 ). In particular, the invention relates to other variables in determining new piezoelectric ceramics, which are sufficient, especially the dielectric constant,
have drawn properties and for use 5 The invention is based on the object of new

auf besonderen Gebieten geeignet sind. piezoelektrische Keramiken anzugeben, die einen gro-are suitable in special areas. specify piezoelectric ceramics that have a large

Eines der typischen Anwendungsgebiete piezo- Ben elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweisen, elektrischer Materialien ist die Herstellung von Wand- und insbesondere zur Anwendung auf besonderen Gelern zur Übertragung und zum Empfang von Ultra- bieten, beispielsweise zur Herstellung von Wandlern Schallwellen. In diesem Fall ist der elektromechanische io für die Übertragung und den Empfang von Ultraschall-Kopplungsfaktor das wesentliche Maß für die Beur- wellen, geeignet sind.One of the typical areas of application piezo-ben have electromechanical coupling factor, electrical materials is the manufacture of wall and especially for use on special gels for the transmission and reception of ultra-offers, for example for the production of converters Sound waves. In this case the electromechanical io for the transmission and reception of ultrasonic coupling factor the essential measure for the beur waves, are suitable.

teilung der Eigenschaften der zu verwendenden piezo- Das durch die/Erfindung geschaffene piezoelektri-division of the properties of the piezoelectric to be used The piezoelectric created by the invention

elektrischen Materialien in der Praxis. Der elektrome- sehe keramische Material, das Bleititanat und/oderelectrical materials in practice. The electrome- see ceramic material, the lead titanate and / or

chanische Kopplungsfaktor kennzeichnet die Wirk- Bleizirkonat enthält, besteht im wesentlichen aus einermechanical coupling factor characterizes the active lead zirconate contains, consists essentially of one

samkeit der Umwandlung elektrischer Schwingungen 15 festen Lösung der Komponentenability to convert electrical vibrations 15 solid solution of the components

in mechanische sowie umgekehrt der Umwandlung .into mechanical and vice versa of conversion.

mechanischer Vibrationen in elektrische Schwingen- Fb^^/s^a/sMb VbLiV3 unü J^bZrU3 mechanical vibrations in electrical oscillations- Fb ^^ / s ^ a / sMb VbLiV 3 unü J ^ bZrU 3

gen, wobei größere Werte des Kopplungsfaktors eine wobei Z die Elemente Niob (Nb) und/oder Antimongen, where larger values of the coupling factor are where Z is the elements niobium (Nb) and / or antimony

bessere Wirksamkeit der Umwandlung anzeigen und (Sb) darstellt.indicate better conversion efficiency and (Sb) represents.

für piezoelektrische Materialien, die bei der Herstel- ao Es sei vorab auf die später gegebenen Tabellen 1 undfor piezoelectric materials that are used in the manufacture of ao It should be noted in advance to Tables 1 and

lung von Wandlern verwendet werden, gewünscht 2 verwiesen. Die höchsten dort für keramisches Materialment of transducers are desired 2 referenced. The highest there for ceramic material

sind. gemäß der Erfindung für den Kopplungsfaktor ange-are. according to the invention for the coupling factor

Piezoelektrische Materialien weisen einige andere gebenen Werte betragen nach Tabelle 1 für die Pro-Grundfaktoren auf, wie z. B. den dielektrischen Ver- ben 14 und 17 68 bzw. 66 % und nach Tabelle 2 für lustfaktor, die Dielektrizitätskonstante und den me- 25 die Proben 10 und 11 77°/o- Es ist erinnerlich, daß bei chanischen Gütefaktor, die ebenfalls zur Beurteilung den Materialien, die in dem obenerwähnten Aufsatz dienen. Bei für Wandler bestimmte piezoelektrische von Fr. K u 1 c s a r aufgeführt sind, 57% aIs Materialien ist ein geringer dielektrischer Verlustfaktor - höchster Kopplungsfaktor genannt wird. Dazukommen gewünscht, der erwünschte Wert der Dielektrizitäts- bei Keramiken gemäß der Erfindung noch die hohen konstante kann groß oder klein sein in Abhängigkeit 30 Werte der Dielektrizitätskonstante trotz hoher Koppder elektrischen Belastung, während der mechanische . lungsfaktoren. Sie betragen für die Proben 14 und 17 Gütefaktor nicht besonders wesentlich ist. der Tabelle 1 beispielshalber 1695 bzw. 1600. SolchPiezoelectric materials have some other values given according to Table 1 for the pro-basic factors, such as: B. the dielectric verbs 14 and 17 68 or 66% and according to Table 2 for the loss factor, the dielectric constant and the 25 the samples 10 and 11 77% to assess the materials used in the above-mentioned article. In certain transducer for piezoelectric listed CSAR by Br K u 1, 57% Is a material is a low dielectric loss factor - high coupling factor is called. In addition, if desired, the desired value of the dielectric constant in ceramics according to the invention nor the high constant can be large or small depending on the values of the dielectric constant in spite of the high coupling of the electrical load, during the mechanical. factors. They are for samples 14 and 17 figure of merit is not particularly important. of Table 1, for example, 1695 or 1600. Such

Obige Angaben sind im einzelnen beispielsweise in hohe Werte der Dielektrizitätskonstanten treten bei folgenden Literaturstellen beschrieben: D. Berlin- den bekannten Zusammensetzungen gemäß dem gec ο u r t et al., Transducer Properties of Lead Titanate 35 nannten Aufsatz nur in Verbindung mit niedrigen Zirconate Cramics, »IRE TRANSACTIONS ON UL- Kopplungsfaktoren von 50% und weniger auf.
TRASONIC ENGINEERING«, Februar, 1960, S. 1 Es ist vorteilhaft, wenn das Material im wesentlichen bis 6, und R. C. V. M a c a r i o, »Design Data for eine Zusammensetzung aufweist, die durch die Formel Band-Pass Ladder Filters Employing Ceramic Resonators«, ELECTRONIC ENGINEERING, Vol. 33, 40 (Pb(Fe1Z3Z2Z3)O3)^ (PbTiOg)2, (PbZrO3)z
Nr. 2 (1961), S. 171 bis 177.
The above information is described in detail, for example, in high values of the dielectric constants occur in the following literature references: D. Berlin- the known compositions according to the gec ο urt et al., Transducer Properties of Lead Titanate 35 named article only in connection with low zirconate cramics, » IRE TRANSACTIONS ON UL coupling factors of 50% and less.
TRASONIC ENGINEERING ", February, 1960, p. 1 It is advantageous if the material has essentially up to 6, and RCV M acario," Design Data for a composition that is determined by the formula Band-Pass Ladder Filters Employing Ceramic Resonators ", ELECTRONIC ENGINEERING, Vol. 33, 40 (Pb (Fe 1 Z 3 Z 2 Z 3 ) O 3 ) ^ (PbTiOg) 2 , (PbZrO 3 ) z
No. 2 (1961), pp. 171 to 177.

In aller Regel haben jedoch die üblichen gegeben ist, wobei Z eines der Elemente Niob (Nb) oderAs a rule, however, the usual ones have been given, where Z is one of the elements niobium (Nb) or

piezoelektrischen Keramiken, beispielsweise Barium- Antimon (Sb) darstellt und x, y und ζ Molanteile an-piezoelectric ceramics, for example barium antimony (Sb) and x, y and ζ molar fractions

titanat — BaTiO3 — und Blei-Titanat-Zirkonat geben, deren Summe 1,0 ist, deren Mengen in folgen-titanate - BaTiO 3 - and lead-titanate-zirconate, the sum of which is 1.0, the amounts of which in the following

— Pb(TiZr)O3 —, einen geringen elektromechanischen 45 den Grenzen des Dreistoffsystems der drei Komponen-- Pb (TiZr) O 3 -, a low electromechanical 45 the limits of the three-component system of the three components

Kopplungsfaktor und sind für die praktische Anwen- ten liegen: χ = 0,01 bis 0,5, y = 0,00 bis 0,75,Coupling factor and are for practical use: χ = 0.01 to 0.5, y = 0.00 to 0.75,

dung ungeeignet. Verbesserungen dieses Faktors wur- ζ = 0,15 bis 0,90.unsuitable. Improvements in this factor were ζ = 0.15 to 0.90.

den nur durch Einbau verschiedener zusätzlicher Be- Die vorliegende Erfindung geht von der neuen Erstandteile in das keramische Material erreicht. kenntnis aus, daß keramische Verbindungen, die imThe present invention is based on the new acquisition parts reached into the ceramic material. knowledge that ceramic compounds produced in

So finden sich im »Journal of The American Cera- 50 wesentlichen aus einer festen Lösung des ternärenThus, in the Journal of The American Cera- 50, there is essentially a solid solution to the ternary

mic Society«, Bd. 42, Nr. 7 (Juli 1959), in dem Aufsatz Systemsmic Society ", Vol. 42, No. 7 (July 1959), in the essay Systems

von Fr. KuI es ar »Electromechanical Properties Pb(Fe1Z3Z2Z3)O3-PbTiO3-PbZrO3
of Lead Titanate Zirconate Ceramics Modified with
by Ms. KuI es ar »Electromechanical Properties Pb (Fe 1 Z 3 Z 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3
of Lead Titanate Zirconate Ceramics Modified with

Certain Three- or Five-Valent Additions« in den Ta- bestehen, wobei Z eines der Elemente Niob (Nb) undCertain Three- or Five-Valent Additions «in the Ta- consist, where Z is one of the elements niobium (Nb) and

bellen I und II auf S. 344 piezoelektrische Werte für 55 Antimon (Sb) darstellt, ausgezeichnete piezoelektri-bellen I and II on p. 344 represents piezoelectric values for 55 antimony (Sb), excellent piezoelectric

Zusammensetzungen, die eine ganze Reihe von ver- sehe Aktivität zeigen und somit praktische BedeutungCompositions that show a whole range of activities and thus practical importance

schiedenen Zusätzen zu dem Grundbestandteil haben. Die genannten Keramikverbindungen enthaltenhave various additives to the basic ingredient. The ceramic compounds mentioned contain

, . . . Blei (Pb) als zweiwertiges metallisches Element und,. . . Lead (Pb) as a divalent metallic element and

^f(Zr54 4lio,46;03 ebenso Titan (Ti) und Zirkonium (Zr) als vierwertige^ f (Zr 54 4lio, 46; 0 3 also titanium (Ti) and zirconium (Zr) as tetravalent

enthalten. Der höchste, aufgeführte Kopplungsfaktor 60 metallische Elemente. Darüber hinaus sind das EIe-contain. The highest coupling factor listed is 60 metallic elements. In addition, the egg

beträgt 0,57 oder 57%. Er ist der Probe B-12 der Ta- ment Eisen (Fe) und eines der Elemente Niob (Nb)is 0.57 or 57%. It is the sample B-12 of the element iron (Fe) and one of the elements niobium (Nb)

belle II eigen, bei der die Zusätze Nb2O5 und La2O3 und Antimon (Sb) in solch einer Menge enthalten, daßbelle II own, in which the additives contain Nb 2 O 5 and La 2 O 3 and antimony (Sb) in such an amount that

sind. sie zusammengenommen im wesentlichen einem vier-are. they taken together essentially a four-

Der nur theoretisch zu verstehende, maximale Kopp- wertigen metallischen Element äquivalent sind,
lungsfaktor ist 100 %· Es ist außerordentlich schwierig, 65 Im Falle, daß Niob (Nb) für Z gewählt ist und daß einen Keramikstoff zu schaffen, der einen Kopplungs- das keramische Material des ternären Systems
faktor oberhalb 60% erreicht. Schon die Überschreitung dieser Grenze bedeutet einen beträchtlichen tech- Pb(Fe1Z3Nb2Z3)O3-PbTiO3-PbZrO3
The maximum Kopp-valued metallic elements, which can only be understood theoretically, are equivalent,
The coupling factor is 100% · It is extremely difficult to create 65 In the case that niobium (Nb) is chosen for Z and that a ceramic material, which is a coupling agent, the ceramic material of the ternary system
factor reached above 60%. Exceeding this limit already means a considerable amount of tech- Pb (Fe 1 Z 3 Nb 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3

dargestellt wird durch die formelmäßige Zusammensetzung is represented by the formulaic composition

(Pb(Fe1Z3Nb2Z3)O3MPbTiO3MPbZrO3)*(Pb (Fe 1 Z 3 Nb 2 Z 3 ) O 3 MPbTiO 3 MPbZrO 3 ) *

wobei x, y oder ζ den Molanteil jeder Komponente angibt und χ + y + ζ = 1,00 ist, wurde gefunden, daß die Verbindungen hinsichtlich ihrer wirksamen Eigenschaften auf einen Bereich bezogen werden können, der durch folgende Verhältnisse der Molanteile gegeben ist:where x, y or ζ indicates the molar fraction of each component and χ + y + ζ = 1.00, it was found that the compounds with regard to their effective properties can be related to a range given by the following ratios of the molar fractions:

XX yy ZZ 0,010.01 0,550.55 0,440.44 0,010.01 0,090.09 0,900.90 0,100.10 O3OOO 3 OO 0,900.90 0,400.40 0,000.00 0,600.60 0,500.50 0,100.10 0,400.40 0,500.50 0,30 ;0.30; 0,200.20 0,200.20 0,650.65 0,150.15 0,100.10 0,750.75 0,150.15 0,050.05 0,750.75 0,200.20

Ebenso ist, wenn Antimon (Sb) für Z gewählt ist, der wirksame Bereich der Keramikverbindungen, die durch die FormelLikewise, when antimony (Sb) is chosen for Z, the effective range of ceramic compounds is the by the formula

(Pb(Fe1Z3Sb2Z3)O3)S (PbTiO3)^ (PbZrO3)*(Pb (Fe 1 Z 3 Sb 2 Z 3 ) O 3 ) S (PbTiO 3 ) ^ (PbZrO 3 ) *

gegeben sind, wobei χ + y + ζ — 1,00 ist, durch folgende Verhältnisse der Molanteile x, y und ζ bestimmt:are given, where χ + y + ζ - 1.00, determined by the following ratios of the molar fractions x, y and ζ :

XX yy ZZ 0,010.01 0,550.55 0,440.44 0,010.01 0,090.09 0,900.90 0,100.10 0,000.00 0,900.90 0,400.40 0,000.00 0,600.60 0,400.40 0,400.40 0,200.20 0,050.05 0,750.75 0,200.20

Nimmt man bei der ersten der drei aufgeführten Komponenten des piezoelektrischen keramischen Materials gemäß der Erfindung Niob (Nb) für Z, so hat man mitIf you take the first of the three listed components of the piezoelectric ceramic material according to the invention niobium (Nb) for Z, so one has with

eine Verbindung vor sich, die der in der Zeitschrift »Soviet Physical Solid State«, 1959, in dem Aufsatz von G. A. Smolenskii und A. I. Agranovs k a y a »Dielectric Polarization of a Number of Complex Compounds« auf S. 1432 erwähnten Verbindung a connection before you, that of the one in the journal "Soviet Physical Solid State", 1959, in the article by G. A. Smolenskii and A. I. Agranovs k a y a "Dielectric Polarization of a Number of Complex Compounds ”on p. 1432

Pb(Fe1Z2Nb1Z2)O3 Pb (Fe 1 Z 2 Nb 1 Z 2 ) O 3

ähnlich erscheinen mag. Weiter unten wird aufgezeigt werden, daß auf Grund unterschiedlicher Anteile der Elemente zwischen sonst gleichen Verbindungen erhebliche Unterschiede bestehen, und zwar am Beispielmay appear similar. It will be shown below that due to different proportions of There are considerable differences between elements between otherwise identical connections, using the example

Pb(Fe1Z2Sb1Z2)O3 und Pb(Fel/3Sbl/3)O3 Pb (Fe 1 Z 2 Sb 1 Z 2 ) O 3 and Pb (Fe l / 3 Sb l / 3 ) O 3

In dem genannten Aufsatz wird nur die Möglichkeit der Existenz vonIn the article mentioned, only the possibility of the existence of

Pb(Fe1Z2Nb1Z2)O3 Pb (Fe 1 Z 2 Nb 1 Z 2 ) O 3

ίο erläutert, nicht aber die Möglichkeit der Existenz eines ternären Systems in Gestalt einer festen Lösung mit dieser Verbindung oder der Verbindungίο explains, but not the possibility of the existence of one ternary system in the form of a solid solution with this compound or compound

Pb(Fe1Z3Nb1Z3)O3 Pb (Fe 1 Z 3 Nb 1 Z 3 ) O 3

als erster Komponente und PbTiO3 und PbZrO3 als zweiter bzw. dritter Komponente, wie es das Material gemäß der Erfindung darstellt. Da der Aufsatz nicht einmal diese ternären Systeme als solche behandelt! ist ihm auch kein Hinweis darüber zu entnehmen, daß·as the first component and PbTiO 3 and PbZrO 3 as the second or third component, as represented by the material according to the invention. Since the essay does not even treat these ternary systems as such! there is also no indication that

so bei ihnen piezoelektrische Eigenschaften vermutet werden könnten, die denjenigen von bekannten Zusammensetzungen überlegen sind.so assumed they have piezoelectric properties superior to those of known compositions.

Dies wird zusätzlich aus Tabelle 4 auf S. 1433 des Aufsatzes deutlich, die für eine Vielzahl von komplexen Verbindungen das Verhalten von ε und tan δ zeigt. Gemäß verschiedenen Verbindungen ändert sich ε von 22 bis 9000 und tan δ von 0,001 bis 0,54. Die Verbindungen können also wegen ihrer ε- und tan δ-Werte nicht unter gleichem Blickwinkel gesehen werden. DieThis is also clear from Table 4 on p. 1433 of the article, which shows the behavior of ε and tan δ for a large number of complex compounds. According to various compounds, ε changes from 22 to 9000 and tan δ from 0.001 to 0.54. The compounds can not be seen under the same light therefore for their ε- and tan δ- values. the

piezoelektrischen Eigenschaften nicht nur der aus dem Aufsatz bekannten Verbindungen, sondern auch der Verbindungen gemäß dsr Erfindung können nicht auf Grund der Werte für ε und tan δ und ihrer spontanen Polarisation vorausgesagt werden.Piezoelectric properties not only of the compounds known from the article but also of the compounds according to the invention cannot be predicted on the basis of the values for ε and tan δ and their spontaneous polarization.

Die Erfinder des hier behandelten piezoelektrischen keramischen Materials haben fast zur gleichen Zeit in Gestalt vonThe inventors of the piezoelectric ceramic material discussed here almost at the same time in Shape of

Pb(Fe1Z2Sb1Z2)O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb (Fe 1 Z 2 Sb 1 Z 2 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3

eine Zusammensetzung vorgeschlagen (deutsche Patentanmeldung P 16 46 819.2-45), die ebenfalls eine erhebliche Verbesserung des elektromechanischen Kopplungsfaktors gegenüber denjenigen der damals bekannten Keramiken brachte. Sie unterscheidet sich von der einen Alternative für keramisches Material gemäß der Erfindung — Sb für Z — nur durch das Mischungsverhältnis » von Fe und Sb, das nach dem anderen Vorschlag 1:1, beim Keramikmaterial gemäß der Erfindung aber 1:2 beträgt. Dieser Unterschied ist außerordentlich bedeutsam. Er beruht auf; dem Einsatz von Fe als dreiwertigem Metall bei der Verbindung nach dem anderen Vorschlag, dagegen als zweiwertigem Metall bei dem Material gemäß der Erfindung. Die nachfolgende Übersicht macht dies außer für den Kopplungsfaktor kr für den mechanischen Gütefaktor Qm, die Dielektrizitätskonstante ε und den dielektrischen Verlustwinkel tan δ deutlich.a composition proposed (German patent application P 16 46 819.2-45), which also brought a considerable improvement in the electromechanical coupling factor compared to that of the ceramics known at the time. It differs from the one alternative for ceramic material according to the invention - Sb for Z - only by the mixing ratio "of Fe and Sb after another proposal is 1: 2: 1, the ceramic material according to the invention, but the first This difference is extremely significant. It is based on; the use of Fe as a trivalent metal in the connection according to the other proposal, on the other hand as a divalent metal in the material according to the invention. The following overview makes this clear, except for the coupling factor k r for the mechanical quality factor Q m , the dielectric constant ε and the dielectric loss angle tan δ .

OC.OC. 68
77
68
77
QmSqm εε tan δ tan δ
Zusammensetzungen gemäß dem anderen Vorschlag Compositions according to the other proposal V2 V 2
VaVa
290
83
290
83
880
1480
880
1480
1,8
2,8
1.8
2.8
Zusammensetzungen gemäß der Erfindung Compositions according to the invention

Die Werte dieser Übersicht gelten für χ — 0,05, 65 nach dan Erfordernissen dss Einsatzfalles wird man y = 0,46 und ζ = 0,49. Zusammensetzungen nach der hisr beschriebsnen Er-The values in this overview apply to χ - 0.05, 65 according to the requirements of the application, y = 0.46 and ζ = 0.49. Compositions according to his

Man sieht, daß die Faktoren sehr verschieden von- findung odsr solche gemäß dsm parallel dazu gsmach.-einander sind, je nachdem, ob α = 1J2 oder 1J5. Je ten Vorschlag wählen.It can be seen that the factors are very different from finding or those according to dsm parallel to this, depending on whether α = 1 J 2 or 1 J 5 . Choose the th suggestion.

5 65 6

Unter den üblichen piezoelektrischen Keramiken wurden, wenn nichts anderes vermerkt ist, pulverförist eine keramische feste Lösung des ternären Systems miges Bleioxid (PbO), Eisen(III)-oxid (Fe2O3), Niob(V)-Among the usual piezoelectric ceramics, unless otherwise noted, a ceramic solid solution of the ternary system with a powdery form of lead oxide (PbO), iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), niobium (V) -

■DUf\/r XTU \n. ηι.τ·Λ nw ^ οχ"* (Nb2O), Titandioxid (TiO2) und Zirkonium- ■ DUf \ / r XTU \ n. ηι.τ · Λ nw ^ οχ "* (Nb 2 O), titanium dioxide (TiO 2 ) and zirconium

Fb(Mgl/3JN b2/3)O3-Fb HO3-PbZrO3 dioxM ^q^ verwendet. Diese Materialien in Pulverbekannt, die in der USA.-Patentschrift 3 268 453 be- 5 form wurden so abgemessen, daß die fertigen Teile Fb (Mg l / 3 JN b 2/3 ) O 3 -Fb HO 3 -PbZrO 3 dioxM ^ q ^ used . D i ese materials in powder known, the loading in the USA. Patent 3,268,453 5 were measured out form so that the finished parts

schrieben ist. Bei diesem üblichen keramischen Mate- die in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungsverhält-is written. In this common ceramic material, the composition ratios shown in Table 1

rial sind jedoch die piezoelektrischen Eigenschaften nisse aufweisen konnten. Ebenso wurden als Aus-rial, however, the piezoelectric properties could show nits. Likewise, as training

der bekannten Bleititanat-Bleizirkonat-Keramiken gangsmaterialien zur Herstellung von Keramiken derthe well-known lead titanate-lead zirconate ceramics transition materials for the production of ceramics

nicht aus sich heraus verbessert, sondern ein gutes Formelnot improved by itself, but a good formula

piezoelektrisches Material wird nur durch Zusatz we- ίο du/t?» ei, ·\η dut;a pkwoPiezoelectric material is only used by adding we- ίο you / t? » ei, \ η dut; a pkwo

. , . Jy-V-J »τ Tr i. ii -nt· ι ι Jr D( r e^a b2z3ju3-Jr b ι iu3-r dzju3 . ,. Jy-VJ »τ Tr i. ii -nt · ι ι Jr D (re ^ a b 2 z 3 ju 3 -Jr b ι iu 3 -r dzju 3

mgstens eines der Oxide von Mangan, Kobalt, Nickel,at least one of the oxides of manganese, cobalt, nickel,

Eisen und Chrom als zusätzlichem Bestandteil bis zu wenn nichts anderes vermerkt ist, Pulver von Blei(II)-3 Gewichtsprozent erhalten. Im Gegensatz hierzu sind oxid (PbO), Eisen(III)-oxid (Fe2O3), Antimon(III)-bei den Verbindungen oxid (Sb2O3), Titandioxid (TiO2) und Zirkonium-Iron and chromium as additional constituents up to, unless otherwise noted, powder of lead (II) -3 percent by weight. In contrast to this are oxide (PbO), iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), antimony (III) - in the case of the compounds oxide (Sb 2 O 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ) and zirconium-

pt_n 15 dioxid (ZrO2) verwendet. Auch diese Pulver wurden so pt _ n 15 dioxide (ZrO 2 ) used. These powders became like that too

Fb^el/3z,2/3jU3-FbliU3-Fb/,ru3 abgemessen, daß die Endkörper die in Tabelle 2 angemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen Z Niob gegebenen Zusammensetzungsverhältnisse aufweisen. (Nb) oder Antimon (Sb) darstellt, die piezoelektri- Eisenoxid (Fe2O3) und Antimon(III)-oxid (Sb2O3) sehen Eigenschaften aus sich heraus (ohne irgendeinen wurden eingewogen, jeweils berechnet auf der Grundzusätzlichen Bestandteil) bemerkenswert verbessert, ao lage von Eisen(II)-oxid (FeO) und Antimon(V)-oxid Dieser Unterschied in der Verbesserung der piezoelek- (Sb2O ). Ferner wurden die Pulver von Bleimonoxid, trischen Eigenschaften zwischen den üblichen Verbin- Titandioxid und Zirkoniumdioxid in solcher Menge düngen und den neuen Verbindungen gemäß der vor- eingewogen, daß die üblichen Bleititanat-Zirkonat-Keliegenden Erfindung ist, so wird angenommen, auf ramiken der in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzungsden Umstand zurückzuführen, daß die üblichen Ver- 25 Verhältnisse erhalten wurden.Fb ^ e l / 3 z, 2/3 jU 3 -FbliU 3 -Fb /, ru 3 measured that the end bodies have the composition ratios given in Table 2 according to the present invention, in which Z niobium. (Nb) or antimony (Sb), the piezoelectric iron oxide (Fe 2 O 3 ) and antimony (III) oxide (Sb 2 O 3 ) see properties by themselves (without any were weighed, each calculated on the basic additional ingredient ) remarkably improved, ao position of iron (II) oxide (FeO) and antimony (V) oxide This difference in the improvement of the piezoelec- (Sb 2 O). Furthermore, the powders of lead monoxide, tric properties between the usual compound titanium dioxide and zirconium dioxide fertilize in such an amount and the new compounds according to the pre-weighed that the usual lead titanate-zirconate Keliegende invention is, so it is assumed, on ramiken of in The composition shown in Table 3 is attributable to the fact that the usual ratios were obtained.

bindungen Magnesium (Mg), also ein Element der Die jeweiligen Pulver wurden in Kugelmühlen mitbonds Magnesium (Mg), thus an element of the The respective powders were in ball mills with

Gruppe IIA des Periodensystems, in Verbindung mit destilliertem Wasser gemischt. Die gemischten Pulver einem Element der Gruppe V B, nämlich Niob (Nb) wurden filtriert, getrocknet, zerkleinert und dann bei enthält, während in den Verbindungen der vorliegen- 9000C während einer Stunde vorgesintert und erneut den Erfindung ein Element der Gruppe VIII, nämlich 30 zerkleinert. Danach wurden die Mischungen mit e'ner Eisen (Fe), in Verbindung mit einem Element der kleinen Menge destillierten Wassers, das hinzugefügt Gruppe V B oder V A, nämlich Niob (Nb) oder Anti- wird, zu Scheiben von 20 mm Durchmesser mit einem mon (Sb) enthalten sind. Druck von 700 kg/cm2 gepreßt und in einer Atmo-Group IIA of the periodic table, mixed with distilled water. The mixed powders an element of group VB, namely niobium (Nb) were filtered, dried, crushed and then at containing, while in the compounds of the present- 900 0 C for one hour and again the invention an element of group VIII, namely 30 crushed. Then the mixtures with iron (Fe), in connection with an element of the small amount of distilled water, which is added to group VB or VA, namely niobium (Nb) or anti, were made into disks of 20 mm in diameter with a mon (Sb) are included. Pressure of 700 kg / cm 2 pressed and in an atmosphere

Ausgezeichnete piezoelektrische Aktivitäten der Sphäre von Bleimonoxid (PbO) während einer Stunde keramischen Verbindungen gemäß der Erfindung wer- 35 bei einer Temperatur zwischen 1260 und 1300° C geden bei den folgenden, im einzelnen beschriebenen be- sintert. Jedoch wurden für solche Körper, die weniger vorzugten Beispielen erhalten, die auch in den Zeich- als 40 Molprozent von
nungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen . , Λ
Excellent piezoelectric activities of the sphere of lead monoxide (PbO) during one hour. Ceramic compounds according to the invention are sintered at a temperature between 1260 and 1300 ° C. in the following, described in detail. However, for such bodies, the less preferred examples obtained were also in the drawing than 40 mole percent of
calculations are shown. Show in the drawings. , Λ

F i g. 1 und 4 Dreiecksdiagramme des ternären Sy- Pb(^e1Z3JN b2/3)O3 F i g. 1 and 4 triangular diagrams of the ternary Sy- Pb (^ e 1 Z 3 JN b 2/3 ) O 3

stems, wobei sowohl der wirksame Bereich der Ver- 40 und für solche, die 40 Molprozent oder mehr desselbindungen gemäß der Erfindung als auch die einzel- ben enthielten (Nr. 20, 25, 26, 29, 33 und 36 der Tanen Verbindungen der Beispiele dargestellt sind, belle 1), spezifische Temperaturen von 1300 bzw.stems, being both the effective range of the 40 and 40 mole percent or more of the same bonds according to the invention as well as the individual contained (nos. 20, 25, 26, 29, 33 and 36 of the Tanen Compounds of the examples are shown, belle 1), specific temperatures of 1300 resp.

F i g. 2 und 5 graphische Darstellungen der elektro- 1270° C bei der Sinterung angewandt. Die resultierenmechanischen Kopplungsfaktoren sowohl der üblichen den Keramikscheiben wurden auf beiden Oberflächen Blei-Titanat-Zirkonat-Keramiken als auch der Kera- 45 bis zu einer Dicke von 1 Millimeter poliert (geschliffen), miken gemäß der Erfindung als Funktion der zusam- auf beiden Oberflächen mit Silberelektroden versehen mensetzungsmäßigen Änderung von Bleititanat und und danach piezoelektrisch aktiviert durch eine PoIa-Bleizirkonat in beiden Keramiken und risationsbehandlung bei 1000C während einer StundeF i g. 2 and 5 are graphs of the electro-1270 ° C used in sintering. The resulting mechanical coupling factors of both the usual ceramic disks were polished (ground) on both surfaces of lead-titanate-zirconate ceramics and the ceramic to a thickness of 1 millimeter, according to the invention as a function of the joint on both surfaces Silver electrodes provide dimensional change of lead titanate and then piezoelectrically activated by a poly-lead zirconate in both ceramics and risations treatment at 100 0 C for one hour

F i g. 3 und 6 Phasendiagramme des ternären Sy- unter Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes stems der vorliegenden Erfindung. 50 von 50 kV/cm.F i g. 3 and 6 phase diagrams of the ternary system with the application of an electrical direct current field stems of the present invention. 50 by 50 kV / cm.

Die F i g. 1, 2 und 3 gelten für das neue ternäre Sy- Für einige Körper wurde die Polarisationsbehand-The F i g. 1, 2 and 3 apply to the new ternary sy- For some bodies the polarization treatment has been

stem lung jedoch bei unterschiedlichen Bedingungen aus-system, however, under different conditions

Pb(Fe1Z3Nb2Z3)O3-PbTiO3-PbZrO3 geführt. Im einzelnen wurden elektrische Gleichstromfelder von 40 bzw. 30 kV/cm an Stelle von 50 kV/cm der keramischen Verbindungen dieser Erfindung. 55 angewandt, und zwar bei solchen Körpern, die mehrPb (Fe 1 Z 3 Nb 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 out. In particular, DC electric fields of 40 and 30 kV / cm instead of 50 kV / cm were used for the ceramic compounds of this invention. 55 applied, and in those bodies the more

Die F i g. 4, 5 und 6 gelten für das neue ternäre Sy- ais 30 Molprozent, jedoch nicht mehr als 40 Molproste111 zent vonThe F i g. 4, 5 and 6 are valid for the new ternary system-a i s 30 mole percent but not more than 40 Molproste 111 centrally of

Pb(Fe1Z3Sb2Z3)O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb(Fel/3Nb2,3)O3 Pb (Fe 1 Z 3 Sb 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 Pb (Fe l / 3 Nb 2 , 3 ) O 3

der keramischen Verbindungen dieser Erfindung. 5o (Nr_ ^ 33 und 36 der TabeUe 1} enthielten bzw. für of the ceramic compounds of this invention. 5o (Nos. 33 and 36 of Table 1) contained or for

Beispiele solche Körper, die mehr als 40 Molprozent der gleiExamples of such bodies that are more than 40 mole percent of the same

chen Komponente enthielten (Nr. 25, 26 und 29 dercomponents (Nos. 25, 26 and 29 of

Für die in der Tabelle angeführten Beispiele gelten Tabelle 1). Desgleichen wurde für Körper, die mehr als folgende Herstellungsarten: 20 Molprozent, jedoch nicht mehr als 30 MolprozentTable 1) applies to the examples given in the table. The same was done for bodies that are more than the following production methods: 20 mol percent, but not more than 30 mol percent

Als Ausgangsmaterialien für die Herstellung der 65 von =
Keramiken der Formel Pb(Fel/3Sb2/3)O3
As starting materials for the production of the 65 von =
Ceramics of the formula Pb (Fe l / 3 Sb 2/3 ) O 3

Pb(Fe1Z3Nb2Z3)O3-PbTiO3-PbZrO3 (Nr. 9, 21, 22, 25 und 32 der Tabelle 2) enthielten,Pb (Fe 1 Z 3 Nb 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 (No. 9, 21, 22, 25 and 32 of Table 2),

Zimmertemperatur an Stelle von 1000C angewandt, während Zimmertemperatur und 40 kV/cm Gleichspannung angewandt wurden für solche Körper, die mehr als 30 Molprozent der gleichen Komponente enthielten (Nr. 17 und 26 der Tabelle 2).Room temperature was used instead of 100 ° C., while room temperature and 40 kV / cm DC voltage were used for those bodies which contained more than 30 mol percent of the same component (Nos. 17 and 26 of Table 2).

Nach einer Verweilzeit der keramischen Scheiben von 24 Stunden wurde der elektromechanische Kopplungsfaktor für radiale Schwingungen (kr) und der mechanische Gütefaktor (Qm) gemessen, um die piezoelektrischen Aktivitäten zu beurteilen. Die Messung dieser piezoelektrischen Eigenschaften wurde entsprechend der IRE-Standardschaltung vorgenommen. Der Wert für kr wurds durch die Methode des Vergleichs der Resonanz mit der Antiresonanzfrequenz berechnet. Die Dielektrizitätskonstante (ε) und der dielektrische Verlustfaktor (tan δ) wurden ebenso bei einer Frequenz von 1 KHz gemessen.After the ceramic disks had stayed for 24 hours, the electromechanical coupling factor for radial vibrations (k r ) and the mechanical quality factor (Q m ) were measured in order to assess the piezoelectric activities. The measurement of these piezoelectric properties was made according to the IRE standard circuit. The value of k r wurds by the method of comparing the response calculated by the anti-resonant frequency. The dielectric constant (ε) and the dielectric loss factor (tan δ) were also measured at a frequency of 1 KHz.

Die Tabellen 1, 2 und 3 zeigen typische Ergebnisse, die erzielt wurden. In den Tabellen sind die Körper angeordnet entsprechend dem Gehalt von Bleititanat ao (PbTiO3), und es sind ebenso einige Werte für die Curietemperatur aufgeführt, die durch Messung der Temperaturänderung der Dielektrizitätskonstante (ε) bestimmt wurde. Die neuen Verbindungen der Körper nach Tabelle 1 und 2 sind durch schwarze Punkte in den F i g. 1 bzw. 4 dargestellt, während die üblichen Verbindungen der Körper der Tabelle 3 durch Kreuze in den gleichen Figuren angedeutet sind.Tables 1, 2 and 3 show typical results that were obtained. In the tables, the bodies are arranged according to the content of lead titanate ao (PbTiO 3 ), and some values are also listed for the Curie temperature, which was determined by measuring the temperature change of the dielectric constant (ε). The new connections of the bodies according to Tables 1 and 2 are indicated by black dots in FIGS. 1 and 4, respectively, while the usual connections of the bodies of Table 3 are indicated by crosses in the same figures.

Der Vergleich der Ergebnisse für die Körper Nr. 14 und 17 der Tabelle 1 oder 10 und 11 der Tabelle 2 mit solchen für die Körper Nr. 4 der Tabelle 3 ergibt, daß der größte &r-Wert der neuen Keramiken dieser Erfindung wesentlich übsr dam maximalen Ar-Wert der üblichen Bleititanat-Zirkonat-Keramiken liegt, die bisher als die besten piezoelektrischen Keramikmaterialien bekannt waren. Darüber hinaus verdeutlicht auch ein Vergleich der Ergebnisse in Tabelle 1 oder 2 mit solchen in Tabelle 3, insbesondere zwischen den neuen und den üblichen Keramiken, bei denen die Verhältnisse der Anteile von Bleititanat (PbTiO3) und Bleizirkonat (PbZrO3) einander ähnlich sind, daß die Keramiken gemäß der vorliegenden Erfindung einen bemerkenswert verbesserten Äy-Wert zeigen. Dieser zuletzt angegebene Umstand geht noch deutlicher aus den F i g. 2 oder 5 hervor, in denen die stark ausgezogenen Linien die kr-Werte der neuen Keramiken darstellen, die 5 MolprozentThe comparison of the results for the bodies No. 14 and 17 of Table 1 or 10 and 11 of Table 2 with those for the body No. 4 of Table 3 shows that the greatest & r -value of the new ceramics of this invention is substantially greater maximum Ar value of the common lead titanate-zirconate ceramics, which have hitherto been known as the best piezoelectric ceramic materials. In addition, a comparison of the results in Table 1 or 2 with those in Table 3, in particular between the new and conventional ceramics, in which the proportions of the proportions of lead titanate (PbTiO 3 ) and lead zirconate (PbZrO 3 ) are similar, that the ceramics according to the present invention show a remarkably improved y value. This last-mentioned circumstance can be seen even more clearly from FIGS. 2 or 5, in which the solid lines represent the kr values of the new ceramics, the 5 mole percent

Art nur diejenigen, deren Zusammensetzung durch dis FormelKind only those whose composition is by dis formula

(Pb(Fe1Z3Z2Z3)O3)* (PbTiOg)2, PbZrO3)G(Pb (Fe 1 Z 3 Z 2 Z 3 ) O 3 ) * (PbTiOg) 2 , PbZrO 3 ) G.

in der x, y und ζ eine Zusammenstellung von Molanteilen darstellt und χ + y + ζ = 1,00 ist, wobei Z eines der Elemente Niob (Nb) und Antimon (Sb) bezeichnet, in den Bereich A-B-C-D-E-F-G-H-I der F i g. 1 der Zeichnungen liegt für den Fall, daß Niob (Nb) als Z gewählt ist, und innerhalb des Bereiches J-K-L-M-N-O der F i g. 4 der Zeichnung liegt für den Fall, daß Antimon (Sb) für Z gewählt ist. Die Zusammenstellungen der Molanteile der Eckpunkte jedes Bereiches sind folgende:in which x, y and ζ represent a combination of molar fractions and χ + y + ζ = 1.00, where Z denotes one of the elements niobium (Nb) and antimony (Sb), in the range ABCDEFGHI of FIG . 1 of the drawings is in the case that niobium (Nb) is selected as Z, and is within the range JKLMNO of FIG . 4 of the drawing is for the case that antimony (Sb) is selected for Z. The compilations of the mole fractions of the corner points of each area are as follows:

XX yy ZZ AA. 0,010.01 0,550.55 0,440.44 BB. O5OlO 5 Ol 0,090.09 0,900.90 CC. 0,100.10 0,000.00 0,900.90 DD. 0,400.40 0,000.00 0,600.60 EE. 0,500.50 0,100.10 0,400.40 FF. 0,500.50 0,300.30 0,200.20 GG 0,200.20 0,650.65 0,150.15 HH 0,100.10 0,750.75 0,150.15 II. 0,050.05 0,750.75 0,200.20 JJ 0,010.01 0,550.55 0,440.44 KK 0,010.01 0,090.09 0,900.90 LL. 0,100.10 0,000.00 0,900.90 MM. 0,400.40 0,000.00 0,600.60 NN 0,400.40 0,400.40 0,200.20 OO 0,050.05 0,750.75 0,200.20

Für den Fall, daß der Anteil anIn the event that the share of

Pb(Fe1Z3Nb2Z3)O3 oder an Pb(Fel/3Sb2/3)O3 Pb (Fe 1 Z 2 Z 3 Nb 3) O 3 or Pb (Fe l / 3 Sb 2/3) O 3

geringer ist als derjenige, der in den oben angegebenen Bereich fällt, wird es unmöglich, die Sinterung bei der Herstellung der Keramiken vollständig durchzuführen, und außerdem "sind die piezoelektrischen Aktivitäten der erhaltenen Keramiken schlechter als die oder nahezu gleich denen der üblichen Bleititanat-Zirkonat-Keramiken oder, wenn sie doch verbessert sind, sind sie unzureichend für eine praktische Verwendung. Ist der Anteil anis less than that falling in the above range, it becomes impossible to sinter in the Complete the manufacture of the ceramics, and also "are the piezoelectric activities of the ceramics obtained are worse than or almost the same as those of the usual lead titanate-zirconate ceramics or, if they are improved, they are insufficient for practical use. is the proportion of

Pb(Fe1Z3Z2Z3)O3 Pb (Fe 1 Z 3 Z 2 Z 3 ) O 3

(F i g. 2) oder(Fig. 2) or

Pb(Fe1Z3Nb2Z3)O3 Pb (Fe 1 Z 3 Nb 2 Z 3 ) O 3

Pb(Fe1Z3Sb2Z3)O3 Pb (Fe 1 Z 3 Sb 2 Z 3 ) O 3

(F i g. 5) und unterschiedliche Anteile von PbTiO3 und entsprechende ergänzende Anteile von PbZrO3 enthalten, während die schwach ausgezogenen Linien die kr-Werte einer üblichen Blei-Titanat-Zirkonat-Keramik mit den unterschiedlichen Anteilen y von PbTiO3 zeigen.(Fig. 5) and contain different proportions of PbTiO 3 and corresponding additional proportions of PbZrO 3 , while the faint lines show the kr values of a conventional lead-titanate-zirconate ceramic with the different proportions y of PbTiO 3 .

Wie aus den obigen Darlegungen hervorgeht, gibt die Erfindung ausgezeichnete, verwendbare piezoelektrische Keramiken ab, die hohe piezoelektrische Aktivitäten aufweisen.As can be seen from the foregoing, the present invention provides excellent useful piezoelectric ones Ceramics that have high piezoelectric activities.

Von den neuen Kermiken des ternären SystemsFrom the new ceramics of the ternary system

Pb(Fe1Z3Z2Z3)O3-PbTiO3-PbZrO3 Pb (Fe 1 Z 3 Z 2 Z 3 ) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3

(mit Z = Nb oder Sb) dieser Erfindung erreichen die hohen piezoelektrischen Aktivitäten der geschilderten (mit Z = Nb oder Sb) größer als derjenige, der in den oben angegebenen Bereich fällt, so ist die Ausführung der Sinterung schwierig und eine gleichmäßige Lösung dieser drei Komponenten nicht zu erhalten mit . dem Ergebnis, daß die piezoelektrischen Aktivitäten . der Keramiken so verändert sind, daß eine praktische Anwendung unmöglich ist. Wo der Anteil an PbTiO3. außerhalb des angegebenen Bereiches liegt, ist es schwierig, dichte Keramikkörper zu sintern, und das Produkt hat keine praktisch verwendbaren piezoelektrische.! Aktivitäten. Fällt schließlich der Anteil von PbZrO3 nicht in den angegebenen Bereich, so ergeben sich unbrauchbare piezoelektrische Keramiken, die stark verschlechterte piezoelektriche Aktivitäten aufweisen. Im Hinblick hierauf ist es erforderlich, daß die Keramiken gemäß der Erfindung solche Zusammensetzungs-Verhältnisse haben sollten, daß sie in einen der oben näher bezeichneten Bereiche fallen, wenn eine Anwendung für einen praktischen Gebrauch gefordert wird. Die Keramiken dieser wirksamen Verbindungen zei-(with Z = Nb or Sb) of this invention achieve the high piezoelectric activities of the above (with Z = Nb or Sb) greater than that falling within the above range, the sintering is difficult to carry out and these three are uniformly solved Components not get with. the result that the piezoelectric activities. of ceramics are so changed that practical use is impossible. Where the proportion of PbTiO 3 . is outside the specified range, it is difficult to sinter dense ceramic bodies and the product has no practical piezoelectric.! Activities. Finally, if the proportion of PbZrO 3 does not fall within the specified range, the result is unusable piezoelectric ceramics which have greatly impaired piezoelectric activities. In view of this, it is necessary that the ceramics according to the invention should have compositional proportions such that they fall within one of the above specified ranges when application for practical use is required. The ceramics of these effective compounds show

109 514/328109 514/328

ίοίο

gen ausgezeichnete- piezoelektrische Aktivitäten und haben hohe Curietemperaturen, wie es in den Tabellen 1 und 2 angegeben ist, so daß die piezoelektrischen Aktivitäten bis zu hohen Temperaturen nicht verlorengehen. Das ternäre System aushave excellent piezoelectric activities and have high Curie temperatures, as shown in the tables 1 and 2 is indicated so that the piezoelectric activities are not lost up to high temperatures. The ternary system

Pb(Fe173Nb2Z3)O3 oder Pb(Fe1Z3Sb2Z3)O3 Pb (Fe 173 Nb 2 Z 3 ) O 3 or Pb (Fe 1 Z 3 Sb 2 Z 3 ) O 3

mit PbTiO3 und PbZrO3 gemäß der Erfindung existiert als feste Lösung bei einem großen Teil von Verbin- ίο düngen; eine derartige feste Lösung weist die Kristallstruktur von Perowskiten auf. Die F i g. 3 und 6 zeigen die kristallinen Phasen der Keramikverbindungen, die in den Bereich A-B-C-D-E-F-G-H-I der F i g. 1 bzw. J-K-L-M-N-O^ der F i g. 4 fallen, wobei die kristallinen Phasen bei Zimmertemperatur durch die Pulvermethode der Röntgenstrahlenanalyse ermittelt wurden. Diese Verbindungen haben Perowskitstruktur entweder mit teträgonalem Gitter (angezeigt durch »T« in den Figuren) oder rhomboetrisches Gitter ao [rhombohedral phase] (angedeutet durch »i?«). Die morphotropische Phasengrenze ist durch eine dicke Linie in jeder Figur angegeben. Im allgemeinen ist der Wert für kr im Bereich'dieser Phasengrenze am größten.with PbTiO 3 and PbZrO 3 according to the invention exists as a solid solution in a large part of connec- ίο fertilize; such a solid solution has the crystal structure of perovskites. The F i g. 3 and 6 show the crystalline phases of the ceramic compounds which are in the area ABCDEFGHI of FIG . 1 or JKLMNO ^ of F i g. 4, the crystalline phases being determined at room temperature by the powder method of X-ray analysis. These compounds have a perovskite structure with either a tetragonal lattice (indicated by "T" in the figures) or a rhomboetric lattice ao [rhombohedral phase] (indicated by "i?"). The morphotropic phase boundary is indicated by a thick line in each figure. In general, the value for k r is greatest in the area of this phase boundary.

Es ist einleuchtend, daß die Ausgangsmaterialien, die bei der Herstellung der Keramiken nach der Erfindung verwendet werden, nicht nur solche sein müssen, die in den angegebenen Beispielen verwendet wurden. Es können im einzelnen an Stelle der jeweiligen Ausgangsmaterialien der obengenannten Beispiele solche Oxide verwendet werden, die leicht bei erhöhten Temperaturen unter Bildung der erforderlichen Verbindungen zerfallen, wie dies beispielsweise bei Pb3O4 für PbO in den Beispielen der Fall ist. Desgleichen können Salze wie Oxalate (z. B. FeC2O4 an Stelle von FeO in den Beispielen) oder Karbonate an Stelle der in den Beispielen angegebenen Oxide verwendet werden, die leicht in die jeweiligen Oxide bei erhöhten Temperaturen zersetzbar sind. Andererseits können Hydroxide des gleichen Charakters wie angegeben, z. B. Nb(OH) an Stelle von Oxiden, wie z, B. Nb8O^ verwendet werden. Darüber hinaus sind hervorragende piezoelektrische Keramikmaterialien, die ähnliche Eigenschaften aufweisen wie die obengenannten Beispiele, ebenso dadurch zu erhalten, daß jeweils für sich gepulverte Materialien vonIt is evident that the starting materials which are used in the manufacture of the ceramics according to the invention need not only be those which were used in the examples given. In particular, instead of the respective starting materials in the above examples, those oxides can be used which readily decompose at elevated temperatures to form the required compounds, as is the case, for example, with Pb 3 O 4 for PbO in the examples. Likewise, salts such as oxalates (e.g. FeC 2 O 4 instead of FeO in the examples) or carbonates can be used in place of the oxides given in the examples, which can easily be decomposed into the respective oxides at elevated temperatures. On the other hand, hydroxides of the same character as indicated, e.g. B. Nb (OH) can be used instead of oxides, such as, for example, Nb 8 O ^. In addition, excellent piezoelectric ceramic materials, which have similar properties to the above-mentioned examples, can also be obtained by using powdered materials of

Pb(Fel/3Nb2/3)O3 oder Pb(Fel/3Sb2/3)O3,
PbTiO3 und PbZrO3
Pb (Fe l / 3 Nb 2/3 ) O 3 or Pb (Fe l / 3 Sb 2/3 ) O 3 ,
PbTiO 3 and PbZrO 3

zunächst hergestellt werden und diese als Ausgangsmaterialien, die miteinander vermischt werden sollen, verwendet werden/are first produced and these are used as starting materials to be mixed with one another, be used/

Es ist üblich, daß Niob(V)-oxid (Nb2O?) und Zirkoniumdioxid (ZrO2), die im Handel erhältlich sind, jeweils einige Prozent von Tantal(V)-oxid (Ta2O5) und Hafniumdioxid (HfO2) enthalten. Folglich ist es deshalb auch möglich, daß die keramischen Verbindungen gemäß der Erfindung kleine Mengen dieser Oxide oder Elemente, die in .den handelsüblichen Materialien vorhanden sind, enthalten. Es ist darüber hinaus sogar wahrscheinlich, daß der Zusatz von kleinen Mengen einiger zusätzlicher Substanzen zu den keramischen Verbindungen dieser Erfindung eine weitere Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften herbeiführen kann, ähnlich dem Umstand, der von den üblichen Bleititanat-Zirkonat-Keramiken bekannt ist. Damit soll gesagt werden, daß die keramischen Verbindungen dieser Erfindung geeignete Zusätze enthalten können.It is common that niobium (V) oxide (Nb 2 O ? ) And zirconium dioxide (ZrO 2 ), which are commercially available, each contain a few percent of tantalum (V) oxide (Ta 2 O 5 ) and hafnium dioxide (HfO 2 ) included. Consequently, it is therefore also possible that the ceramic compounds according to the invention contain small amounts of these oxides or elements which are present in the commercially available materials. Moreover, it is even likely that the addition of small amounts of some additional substances to the ceramic compounds of this invention can bring about a further improvement in the piezoelectric properties, similar to the fact known from conventional lead titanate-zirconate ceramics. It is to be understood that the ceramic compounds of this invention may contain suitable additives.

Während bisher beschrieben wurde, was gegenwärtig als vorteilhafte Beispiele dieser Erfindung angenommen wird, soll auch darauf hingewiesen sein, daß es sich versteht, daß verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von den erfinderischen Gedanken abzuweichen, und daß diese Erfindung alle keramischen Verbindungen, die in den folgenden Ansprüchen genannt sind, deckt.While so far has been described what are presently believed to be advantageous examples of this invention It should also be noted that it is understood that various modifications have been made without departing from the inventive concept, and that this invention covers all ceramic compounds mentioned in the following claims.

Molanteile der ZusammensetzungMole fractions of the composition PbTiO3 PbTiO 3 PbZrO3 PbZrO 3 Tabelle 1Table 1 QmSqm εε ♦ JS♦ JS Curie-Curie- Pb (Fei/3Nb2,3)O3Pb (Fei / 3 Nb 2 , 3) O3 yy ZZ jj tan οtan ο Temperaturtemperature Nr.No. XX 0,750.75 0,200.20 KrKr 210210 280280 (7o)(7o) (0Q( 0 Q 0,050.05 0,750.75 0,150.15 (0Io)( 0 Io) 160160 270270 2,22.2 11 0,100.10 0,700.70 0,250.25 1111th 340340 320320 4,34.3 22 0,050.05 0,700.70 0,200.20 88th 200200 330330 2,12.1 33 0,100.10 0,650.65 0,150.15 2222nd 290290 380380 3,93.9 44th 0,200.20 0,550.55 0,440.44 2020th 130130 470470 5,35.3 55 0,010.01 0,550.55 0,400.40 1717th 170170 590590 1,91.9 66th 0,050.05 0,480.48 0,510.51 1818th 105105 13101310 2,02.0 7**7 ** 0,010.01 0,480.48 0,470.47 3535 100100 11501150 2,42.4 88th 0,050.05 0,480.48 0,420.42 5252 120120 880880 2,12.1 99 0,100.10 0,480.48 0,320.32 5353 180180 740740 2,12.1 10*10 * 0,200.20 0,480.48 0,220.22 3939 140140 540540 2,12.1 1111th 0,300.30 0,470.47 0,510.51 3636 9090 15101510 6,76.7 12*12 * 0,020.02 0,460.46 0,490.49 . 21. 21 9090 16951695 2,72.7 1313th 0,050.05 0,460.46 0,440.44 6565 100100 960960 2,52.5 370370 1414th 0,100.10 0,430.43 0,520.52 6868 9090 720720 2,72.7 1515th 0,050.05 0,430.43 0,470.47 4747 8585 16001600 2,82.8 16*16 * 0,100.10 0,430.43 0,370.37 6565 130130 12201220 2,52.5 340340 1717th 0,200.20 0,400.40 0,500.50 6666 8585 600600 3,03.0 1818th 0,100.10 0,400.40 0,200.20 4444 9090 720720 2,52.5 1919th 0,400.40 0,380.38 0,420.42 5353 9595 17801780 8,58.5 2020th 0,200.20 0,330.33 0,620.62 1414th 160160 490490 2,72.7 285285 2121 0,050.05 0,330.33 0,470.47 5858 105105 820820 3,43.4 2222nd 0,200.20 4242 3,73.7 23**23 ** 5454

Fortsetzung Tabelle 1Table 1 continued

Nr.No. XX yy ZZ kr k r QmSqm εε tan<5tan <5 Curie-
Temperatür
Curie-
Temperature
2424 0,300.30 0,330.33 0,370.37 2828 9595 15201520 5,65.6 245245 2525th 0,500.50 0,300.30 0,200.20 1010 170170 760760 11,711.7 2626th 0,500.50 0,230.23 0,270.27 1717th 160160 12701270 8,48.4 2727 0,050.05 0,200.20 0,750.75 2525th 300300 340340 4,24.2 2828 0,100.10 0,100.10 0,800.80 1818th 410410 400400 3,83.8 2929 0,500.50 0,100.10 0,400.40 77th 220220 670670 12,412.4 3030th 0,010.01 0,090.09 0,900.90 1717th 340340 260260 5,45.4 3131 0,050.05 0,050.05 0,900.90 1111th 390390 270270 4,34.3 3232 0,200.20 0,050.05 0,750.75 2121 370370 530530 3,83.8 3333 0,400.40 0,050.05 0,550.55 1111th 350350 575575 4,34.3 3434 0,100.10 0,000.00 0,900.90 1212th 500500 400400 4,04.0 3535 0,300.30 0,000.00 0,700.70 1212th 450 -450 - 540540 3,83.8 3636 0,400.40 0,000.00 0,600.60 88th 260260 550550 4,14.1

Tabelle 2Table 2

Molanteile der .ZusammensetzungMolar fractions of the composition PbTiO3 PbTiO 3 PbZrO3 PbZrO 3 kr k r QmSqm εε tan<5tan <5 Curie-Curie- Nr.No. Pb (Fe]/3Sb2/3)O3Pb (Fe ] / 3 Sb2 / 3) O3 yy ZZ (%)(%) (%)(%) Temperaturtemperature XX ': 0,75 ': 0.75 0,200.20 88th 180180 260260 1,81.8 (0C)( 0 C) 11 0,050.05 0,700.70 0,250.25 2525th 330330 320320 1,21.2 22 0,050.05 0,700.70 0,200.20 1212th 130130 325325 1,41.4 33 0,100.10 0,550.55 0,440.44 2222nd 140140 440440 1,71.7 44th 0,010.01 0,550.55 0,400.40 4343 160160 710710 1,91.9 5**5 ** 0,050.05 0,480.48 0,470.47 6565 100100 15501550 2,32.3 66th 0,050.05 0,480.48 0,420.42 5050 130130 13301330 2,22.2 7*7 * 0,100.10 0,480.48 0,320.32 1616 190190 580580 2,32.3 88th 0,200.20 0,480.48 0,220.22 1010 270270 380380 5,25.2 9*9 * 0,300.30 0,470.47 0,510.51 7777 9595 13601360 2,72.7 1010 0,020.02 0,460.46 0,490.49 7777 8383 14801480 2,82.8 1111th 0,050.05 0,460.46 0,440.44 5555 105105 15201520 2,62.6 325325 1212th 0,100.10 0,430.43 0,520.52 6565 9090 790790 3,83.8 1313th 0,050.05 0,430.43 0,470.47 6060 105105 12501250 3,33.3 14**14 ** 0,100.10 0,430.43 0,370.37 2727 140140 860860 3,43.4 285 J285 y 1515th 0,200.20 0,400.40 0,500.50 5353 105105 650650 4,04.0 1616 0,100.10 0,400.40 0,200.20 1717th 9090 570570 6,86.8 1717th 0,400.40 0,380.38 0,420.42 4545 9090 13601360 4,04.0 1818th 0,200.20 0,330.33 0,620.62 4646 130130 560560 4,14.1 245245 19*19 * 0,050.05 0,330.33 0,470.47 3737 145145 820820 5,45.4 2020th 0,200.20 0,330.33 0,370.37 2626th 150150 , 1160, 1160 5,55.5 21**21 ** 0,300.30 0,230.23 0,470.47 1515th 190190 10501050 7,67.6 180180 2222nd 0,300.30

Fortsetzung Tabelle 2Continuation of table 2

Nr.No. XX yy ZZ KK QmSqm εε tan<5tan <5 Curie-
Temperatur
Curie-
temperature
2323 0,050.05 0,200.20 0,750.75 2626th 290290 410410 4,24.2 2424 0,100.10 0,100.10 0,800.80 1717th 370370 525525 3,83.8 2525th 0,300.30 0,100.10 0,600.60 1212th 350350 950950 7,87.8 2626th 0,400.40 0,100.10 0,500.50 1111th 8080 28202820 8,78.7 2727 0,010.01 0,090.09 0,900.90 1212th 530530 290290 3,83.8 2828 0,050.05 0,050.05 0,900.90 1212th 420420 370370 3,03.0 2929 0,150.15 0,050.05 0,800.80 1010 390390 475475 4,04.0 3030th 0,100.10 0,000.00 0,900.90 88th 380380 220220 5,05.0 3131 0,200.20 0,000.00 0,800.80 66th 370370 465465 3,93.9 3232 0,300.30 0,000.00 0,700.70 55 270270 870870 8,68.6 3333 0,400.40 0,000.00 0,600.60 44th 190190 21002100 8,98.9

Bemerkung: Bei der Herstellung der Körper, deren Nummer einen Stern in der Tabelle 1 und 2 aufweisen, wurde als Bleioxid Pb3O4 an Stelle von Bleimonoxid (PbO) als eines der Ausgangsmaterialien verwendet.Note: In the manufacture of the bodies whose numbers have an asterisk in Tables 1 and 2, Pb 3 O 4 was used as lead oxide in place of lead monoxide (PbO) as one of the starting materials.

Ebenso wurde für die Körper, bei deren Nummer zwei Sterne enthalten sind, Eisenoxalat (FeC2O4), berechnet auf der Basis von Eisen(II)-oxid, an Stelle von Eisen(III)-oxid (Fe2O3) verwendet. Likewise, iron oxalate (FeC 2 O 4 ), calculated on the basis of iron (II) oxide, was used instead of iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ) for the bodies with two stars in the number .

Tabelle 3Table 3

Molanteile derMole fractions of PbZrO3 PbZrO 3 77th QmSqm εε tan οtan ο Nr.No. Zusammensetzungcomposition 0,300.30 KrKr (%)(%) PbTiO3 PbTiO 3 0,400.40 (0Io)( 0 Io) .. 340340 5,75.7 11 0,700.70 0,450.45 .. - 300300 2,42.4 22 0,600.60 0,520.52 —.-. 3030th 350350 1,31.3 33 0,550.55 0,550.55 88th 250250 160160 1,61.6 44th 0,480.48 0,600.60 4242 290290 640640 3,03.0 55 0,450.45 0,700.70 3838 320320 460460 3,13.1 66th 0,400.40 0,800.80 3030th 380380 380380 3,33.3 77th 0,300.30 0,900.90 2424 470470 350350 3,33.3 δδ 0,200.20 1515th 580580 280280 3,43.4 99 0,100.10 1010

Bemerkung: Für die Körper Nr. 1 und 2 war die Beurteilung der piezoelektrischen Aktivitäten nicht möglich.Note: It was not possible to assess the piezoelectric activities for bodies No. 1 and 2.

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Piezoelektrisches keramisches Material, das Bleititanat (PbTiO3) und/oder Bleizirkonat (PbZrO3) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im wesentlichen aus einer festen Lösung der Komponenten1. Piezoelectric ceramic material containing lead titanate (PbTiO 3 ) and / or lead zirconate (PbZrO 3 ), characterized in that the material consists essentially of a solid solution of the components , PbTiO3 und PbZrO3 , PbTiO 3 and PbZrO 3 besteht, wobei Z die Elemente Niob (Nb) und/oder Antimon (Sb) darstellt. .consists, where Z represents the elements niobium (Nb) and / or antimony (Sb). . 2. Piezoelektrisches keramisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen eine Zusammensetzung aufweist, die durch die Formel2. Piezoelectric ceramic material according to claim 1, characterized in that it is in essentially has a composition represented by the formula (PbTiO3)^ (PbZrO3)2 (PbTiO 3 ) ^ (PbZrO 3 ) 2 3535 gegeben ist, wobei Z eines der Elemente Niob (Nb) oder Antimon (Sb) darstellt und x, y und ζ Molanteile angeben, deren Summe 1,0 ist und deren Mengen in folgenden Grenzen des Dreistoffsystems der drei Komponenten liegen:is given, where Z represents one of the elements niobium (Nb) or antimony (Sb) and x, y and ζ indicate molar proportions, the sum of which is 1.0 and the amounts of which are within the following limits of the three-component system of the three components: χ = 0,01 bis 0,5;
y = 0,00 bis 0,75;
ζ = 0,15 bis 0,90.
χ = 0.01 to 0.5;
y = 0.00 to 0.75;
ζ = 0.15 to 0.90.
3. Piezoelektrisches keramisches Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß3. Piezoelectric ceramic material according to claim 1 or 2, characterized in that 45.45. es im wesentlichen eine Zusammensetzung aufweist, die durch die Formelit essentially has a composition represented by the formula (Pb(Fe1Z3Z2Z3)O3)* (PbTiOg)2, (PbZrO3)z (Pb (Fe 1 Z 3 Z 2 Z 3 ) O 3 ) * (PbTiOg) 2 , (PbZrO 3 ) z gegeben ist, wobei Z eines der Elemente Niob (Nb) oder Antimon (Sb) darstellt und x, y und ζ Molanteile angeben, deren Summe 1,0 ist, und daß die Zusammensetzung mit Niob (Nb) als Komponente Z im Bereich A-B-C-D-E-F-G-H-I des Dreistoffsystems der F i g. 1 liegt, bzw. mit Antimon (Sb) als Komponente Z im Bereich J-K-L-M-N-O des Dreistoffsystems der F i g. 4 liegt, wobei für die Eckpunkte dieser Bereiche folgende Werte für je, j und ζ gelten:is given, where Z is one of the elements niobium (Nb) or antimony (Sb) and x, y and ζ indicate molar fractions, the sum of which is 1.0, and that the composition with niobium (Nb) as component Z in the range ABCDEFGHI des The three-component system of FIG. 1, or with antimony (Sb) as component Z in the area JKLMNO of the three-component system of FIG. 4, whereby the following values for each, j and ζ apply to the corner points of these areas: XX yy ZZ AA. 0,010.01 0,550.55 0,440.44 BB. 0,010.01 0,090.09 0,900.90 CC. 0,100.10 0,000.00 0,900.90 DD. 0,400.40 0,000.00 0,600.60 EE. 0,500.50 0,100.10 0,400.40 FF. 0,500.50 0,300.30 0,200.20 GG 0,200.20 0,650.65 0,150.15 HH 0,100.10 0,750.75 0,150.15 II. 0,050.05 0,750.75 0,200.20 JJ 0,010.01 0,550.55 0,440.44 KK 0,010.01 0,090.09 0,900.90 LL. 0,100.10 0,000.00 0,900.90 MM. 0,400.40 0,000.00 0,600.60 NN 0,400.40 0,400.40 0,200.20 OO 0,500.50 0,750.75 0,200.20
4. Piezoelektrisches keramisches Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es an sich bekannte zusätzliche Komponenten, die die piezoelektrischen Eigenschaften verbessern, in Mengen bis zu einigen Prozent (bis etwa 3 %) enthält.4. Piezoelectric ceramic material according to one of claims 1 to 3, characterized in that that there are per se known additional components that enhance the piezoelectric properties improve, in amounts up to a few percent (up to about 3%). 5. Piezoelektrisches keramisches Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es Tantal(V)-oxid (Ta2O5) und/oder Hafniumdioxid (HfO2) in Mengen bis zu einigen Prozent enthält.5. Piezoelectric ceramic material according to one of claims 1 to 4, characterized in that it contains tantalum (V) oxide (Ta 2 O 5 ) and / or hafnium dioxide (HfO 2 ) in amounts of up to a few percent. 6. Verwendung des piezoelektrischen keramischen Materials nach einem- der Ansprüche 1 bis 5 für die Herstellung von piezoelektrischen Wandlern. 6. Use of the piezoelectric ceramic material according to one of claims 1 to 5 for the manufacture of piezoelectric transducers. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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